智慧燃料系统的设计与优化

张兰庆 张来祖 侯建国 康夜雨 李剑

（1.华能国际电力股份有限公司德州电厂，山东德州 253000；2.四川能为环保科技有限公司，四川成都 610074）

0 引言

电力行业作为我国经济发展的基础，其是否稳定运行决定着国民经济发展能否得到保障。现阶段，我国具有较为丰富的发电形式，主要包含火力、水力、风力、核电和太阳能等，火力和水力作为主要发电形式，发电量总和占据总发电量的90%以上，其中火力发电则占70%以上，且因水力发电存在周期波动，使火电作为主力发电形式的现状难以改变。而火力发电是通过燃煤实现的，其发电成本易受到煤炭市场的制约，且燃煤带来的资源消耗、环境污染也成为关注的重点，加之配售电市场开放，加剧了电力行业的市场竞争。面对激烈的竞争环境，燃煤电厂需降低发电成本、提升生产效率，以满足系统对电源灵活性的要求[1]。

鉴于燃料成本占据发电企业发电成本70%的现状，结合我国“西煤东运、北煤南运”的煤炭运输方式，电厂无法获得完全满足厂内发电负荷要求且价格便宜的单一煤种，因此电厂对就近煤矿的多种煤质燃煤的混合掺烧成为了降低成本的关键[2]。而不同煤种燃煤的掺配比例、煤场的最优化利用、采购计划的提前制定成为锅炉及其他发电设备安全稳定运行的关键，也是电厂废弃物排放符合环保要求以及发电成本满足市场竞争要求的核心。燃煤掺配方案的制定、煤场优化分区、燃烧评价反馈以及采购监管是厂内实现优化经济生产的重点工作，而各功能目标的实现均需依靠智慧燃料系统[3]。因此，智慧燃料系统的设计优化是提高电厂生产效率、降低生产成本的基础保障。

1 智慧燃料系统建设的必要性

传统的燃煤掺配方案则是由电厂运行人员依据经验所确定的。该掺配方案的确定对运行人员的要求较高，没有确定的掺配原则，无法保证掺配的精确性及经济性，且该方法仅对稳定来煤有效，一旦厂内采购新煤种则会为掺配带来较大难度，也会造成一定的燃煤掺烧风险。与此同时，电厂还存在煤场管理混乱、燃煤堆放区域不明确、堆放量不足、燃煤堆放周期长、煤场空间利用不充分等问题，甚至还会因燃煤堆放时间过长而引发料堆自燃等问题，危害煤场安全，且燃料管理方面没有完善的系统，使燃料的信息更新不及时或存在错误数据，进而使燃煤掺烧和采购拟定过程缺少准确、直观的数据。

现如今，随着信息技术的发展，燃煤电厂实现智能化、数字化运行成为必然趋势，而智能发电、智慧电厂的发展应用是实现电厂信息深度融合的基础，也是实现燃煤精确掺配的保障[4-5]。因燃煤掺配方案和采购意见的制定需综合考虑燃煤煤质、煤价、煤场燃煤存量、来煤计划、发电负荷、设备运行参数等影响因素，现增设燃料信息管理平台、数字化煤场监管平台、燃烧评价监管平台和智慧采购监管平台，以实现燃煤由入厂到入炉的全流程管控和煤场内库存监管与分区优化，保证燃料信息得以全面及时反馈，保证煤场燃煤的安全有序堆放。该智慧燃料系统一方面可为燃煤掺配方案的精细化制定提供准确、详尽的基础数据，保证掺烧过程的经济稳定性；另一方面减少煤场内因堆放时间长而造成的煤损、煤燃等问题，同时实现煤场的最大化利用，为电厂提供高效经济生产的可能。

2 智慧燃料系统建设目标

智慧燃料系统以燃煤的智能化掺配混烧为核心，利用综合信息技术、自动化技术、网络技术和智能控制技术，建立了燃料由采购、运输、到厂、储存、掺配、燃烧全流程、全周期的智能化管控，是集燃煤信息管理、燃料设备运行监控、燃煤决策制定功能于一体的智慧化系统。该系统可将分散的生产设备、业务流程按照统一标准进行管控，可依据生产过程的决策目标和实际运行分析，通过闭环反馈实现燃煤掺配方案的精确制定和燃煤采购需求的准确预知，使厂内发电成本、燃煤煤质、锅炉运行和废弃物排放等信息数据间得以最佳耦合，在复杂来煤、多种煤质的情况下实现科学管理煤场和智能燃煤掺烧[6-7]。智慧燃料系统的目标如下。

（1）燃煤掺配的智能化。根据机组负荷要求、来煤计划、煤场存煤等基础数据，利用高效算法，自动生成燃煤掺配方案和斗轮机运行指令，通过控制系统实现斗轮机的自动化燃煤分层堆叠掺配。

（2）数据信息的全面化。通过对入厂煤、煤场存煤、设备运行参数、煤场状态等信息的全流程采集，实现电厂生产信息的全面化统计，并利用数据处理、去噪、转化等技术，将各状态数据通过三维图表的形式直观地进行展示，保证运行人员随时了解燃煤使用信息和生产设备的运行工况，实现燃煤流程的量、质、价等信息的精准追踪，为优化采购意见提供数据基础。

（3）煤场管理的数字化。利用煤场分层模型对煤场进行数字化分层管理，其依据电厂实际生产运行将煤场划分为若干区域，提高煤场空间利用率，为燃煤掺配过程的实施提供保障。同时可实时更新煤场中煤质、煤量、煤种、堆存时间、煤场温度等监测信息，对堆放时间较长的燃煤优先使用，保证煤场的安全生产，且上述监测信息要具有可追溯性，为煤场的安全运行提供保障。

（4）设备运行的自动化。该系统可实现斗轮机对燃煤的自动化掺配以及输煤系统各设备的无缝连接，其利用监控设备与网络信号传输技术实时记录、反馈现场斗轮机运行状态和煤场内的存煤状态，根据设备实际运行工况，实时调节被控装置的运行参数，同时也可根据反馈信号实现设备的自动启停，以保证设备的高效运行和厂内的安全生产。

（5）决策的自动优化。建立煤种综合经济性计算模型，对煤种燃烧性能进行分析，定量给出燃用不同煤种时的综合单位发电燃料成本，根据燃料成本、煤场存煤结构、市场煤信息，结合机组燃料耗用模型，提出燃煤采购建议，厂内可依据采购意见完成燃煤的采购，进而实现厂内来煤的可预测性和发电成本的最小化目标。

3 智慧燃料系统主体功能

智慧燃料系统的核心是燃煤掺配混烧，其旨在通过对燃煤全周期信息监测和生产设备的自动化控制实现人员、设备、燃煤和平台之间的相互连通，进而保证电厂高效率生产运行、低成本发电，提高其市场竞争力。该系统依托数据采集监控、计算机模型建立和数值模拟计算实现煤场的数字化管理、燃煤掺配方案的最优化制定和燃煤采购意见的合理化提出，而上述3 种功能的实现不仅保证了入炉混煤符合安全、经济、环保的要求，而且还实现了数据信息的可视化展示，为运行人员下达精确、及时的燃运调度提供保障。其具体的功能实现流程如下。

3.1 煤场数字化管理

煤场数字化管理是将煤场内的燃煤信息、设备运行工况实时动态以三维图表的形式显示至控制室，以保证煤场内设备安全运行、燃煤安全堆放。除信息采集展示外，煤场的合理化分区利用，既是煤场管理的关键，也是燃煤有序堆放的保证。煤场分区是以电厂的煤源分类、煤质分类以及燃煤掺配要求为基础，结合现场存煤制度，遵循存新取旧、堆取料便捷等原则，将煤场划分为多个区域，每个区域可以存放单一或多种来煤，同时设置临时应急堆放区，以堆放非常规来煤煤种，最终实现煤场的药匣子式管理。

为保证燃煤掺配的均匀性和电厂智能化改造的便捷性，通过利用电厂原有的斗轮机设备完成燃煤掺配，其掺配方式是通过利用斗轮机对不同特性的燃煤进行分层堆叠，由此煤场分区显得尤为重要。其中，堆煤区域的选择遵循以下原则：若多个区域满足堆放掺配需求时，选择最近的区域进行燃煤堆料掺配；若单个区域无法满足一个批次的堆放掺配要求时，则将堆放任务分解为多个任务进行堆放掺配，堆放分解时按照最小堆放次数进行分解。

3.2 燃煤智能化掺配

燃煤智能化掺配旨在解决单位发电耗煤量大、发电成本高的问题，为适应燃煤分布不均、到厂煤煤质复杂的现状，对不同特性的燃煤进行掺配混合，一方面保证入炉煤煤质满足发电负荷、锅炉运行需求，另一方面调控燃料成本，保证发电的经济性。该掺配过程的关键是计算燃煤掺配比例，确定燃煤掺配方案，下发燃煤掺配指令，其具体流程如下。

3.2.1 燃煤掺配方案制定与优化

燃煤掺配方案的制定依托数字化煤场中的监测技术，在线收集获取燃煤信息、设备信息和环保信息等数据，根据厂内历年年度、季度、月度的锅炉负荷趋势得出锅炉负荷参数，而后以燃煤信息、锅炉负荷为基础数据，以设备信息和环保信息为约束条件，利用模型进行数据整合计算，确定各燃煤掺配比例，并以雷达图的方式显示各种掺配结果。其中，燃煤信息包含燃煤的矿点信息（包含之前厂内可购买到但因煤质原因无法使用而未进行购买的燃煤）、燃煤煤质、燃煤量、燃煤物性参数（挥发分、发热量、灰分、水分、硫分、灰熔点）以及燃煤燃烧特性（着火特征、燃尽特征、结渣特征）等；设备信息包含除尘系统可处理的最大含尘量、脱硫系统容许的最大烟气含硫量以及磨煤系统的最大出力信息；环保信息包含排放烟气中的硫氧化物、氮氧化物含量。

该方案制定过程中可根据厂内现有煤种以及厂内可购买煤种得出不同的掺配比例和掺配组合，实现各掺配的成本对比，以获取最优掺配比例方案，同时为后期厂内燃煤采购做指导。同时，制定的掺配方案中不同特性燃煤的掺配比例存在安全区，掺配量在安全区内均可保证掺烧的安全稳定性，且根据掺配方案完成燃煤掺配和掺烧后，可实时向控制系统反馈输煤系统中各设备的运行状态、锅炉工况以及排放的烟气污染物含量，并将其作为下一次方案制定的基础数据，以实现掺配方案的优化，使掺配方案在满足安全、环保的条件下，降低成本，提升燃煤发电的市场竞争力。

3.2.2 燃煤掺配方案的校核模拟与执行

燃煤掺配方案制定完成后并非直接下发至执行机构，而是依据历史存储配煤方案和锅炉运行工况反馈等参数对新方案进行校核，校核完成后利用模拟软件对方案进行模拟堆叠，并输出燃煤堆叠图，堆叠图中显示燃煤在煤场中的堆叠位置、各煤种燃煤的堆叠厚度以及斗轮机的行走、堆叠等参数，堆叠图完成后将方案与图输送至执行模块，由斗轮机自动完成燃煤的横向平铺、纵向垂直堆叠的“3D 打印”式燃煤掺配，该掺配过程所涉及的设备运行状态和煤场状态参数被实时监测记录，并通过通信网络传输至控制系统，控制系统根据斗轮机实际运行工况随时调控指令或直接紧急停止，以保证煤场设备的安全运行。

3.2.3 掺烧信息闭环反馈

燃煤于煤场完成分层堆叠掺配后，由斗轮机根据上料指令自动完成混煤的取料，并将混煤输送至锅炉完成燃烧发电。燃煤混烧过程中会因煤质原因造成锅炉结焦、燃烧不稳定、水冷壁高温腐蚀等问题，通过对锅炉燃烧工况进行实测和评价，将信息闭环反馈至方案制定系统，以实现对现行配煤掺烧方案的持续优化调整，保证生产过程的安全运行。

3.3 采购意见自动优化

燃煤掺烧的根本是降低燃煤发电成本，发电成本的决定性因素是燃料成本，优化固定来煤掺配实现燃料成本的降低，减少单价高的燃煤耗量，引入就近煤矿新煤种，制定新的燃煤掺配方案，燃煤的采购单价、采购时期、采购量成为掺烧的基础。为保证电厂稳定发电，智慧燃料系统通过整合入炉煤单耗、入炉煤耗（SIS 取机组功率）、入炉煤单价（人工输入采购单价、结算单价）等数据，实现发电单价及煤耗的预测和分析功能，为电厂提前制定采购意见，该意见可自动完成比对、校核、优化，以满足电厂发电负荷需求。同时，厂内采购意见的提前制定，可实现到厂来煤的提前预知，为来煤后的接卸、堆放、掺配等操作预留了一定时间，可保证输煤系统各生产作业流程的有序化进行，为厂内生产提供有序保障。

4 结语

因燃煤供应不平衡、配售电市场开放导致燃煤电厂市场竞争压力大，加之现代技术发展，促使电厂数字化管理、燃煤掺配智慧化成为必然趋势。智慧燃料系统通过信息技术、监测技术和控制技术的联合应用，实现了厂内信息的全面化采集、燃煤掺配方案的智能化制定、煤场的数字化管理与分区、设备的自动化运行以及采购决策的自动优化等功能，为燃煤掺配提供了可靠的数据来源和安全、经济、环保的生产基础，为电厂降本增效提供了技术和理论支持。